DE2249766B2

DE2249766B2 - INJECTION COMBUSTION ENGINE WITH SWIRL CHAMBER

Info

Publication number: DE2249766B2
Application number: DE19722249766
Authority: DE
Inventors: B.E. Suryakant 5000Köln Joshi
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1972-10-11
Filing date: 1972-10-11
Publication date: 1976-07-22
Also published as: US3895613A; SU655337A3; JPS4972507A; DE2249766A1; FR2203427A5; IT993878B; JPS581256B2; GB1437524A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzbrennkraftmaschine mit einer rotationssymetrischen, teilweite im Zylinderkopf eingegossenen Wirbelkammer mil tangential einmündendem Schußkanal, deren Länge geringfügig größer als der größte Rotationsdurchmesser ist und in die der Kraftstoff annähernd parallel zur Wirbelkammerlängsachse in die Peripherie eingespritzt wird, wobei ein Teil der inneren Mantelfläche der Wirbelkammer von einem gut vvärmeisolierten, den Schußkanal aufnehmenden Einsatz aus wärmebeständigem Werkstoff gebildet wird.The invention relates to an internal combustion engine with a rotationally symmetrical, partial width Swirl chamber cast in the cylinder head with a tangential opening channel, the length of which is slightly larger than the largest rotation diameter and in which the fuel is approximately parallel to the Vortex chamber longitudinal axis is injected into the periphery, with part of the inner lateral surface of the Vortex chamber from a well-värmeisolierte, the firing channel receiving insert made of heat-resistant Material is formed.

Derartige Brennkraftmaschinen sind bekannt und haben sich in der Praxis gut bewährt. In letzter Zeil wurden jedoch durch die Vorschriften über Schadstoffemissionen neue Maßstäbe gesetzt, so daß auf diesem Gebiet weitere Verbesserungen angestrebt werden müssen.Such internal combustion engines are known and have proven themselves well in practice. In the last line However, new standards were set by the regulations on pollutant emissions, so that on this Area further improvements must be sought.

Es sind wassergekühlte Einspritzbrennkraftmaschinen mit Wirbelkammer bekannt (A.P i s c h i η g e r »Gemischbildung und Verbrennung im Dieselmotor«, Wien 1957, Seite 48, Abb. 77, bei der ein Teil der inneren Mantelfläche der Wirbelkammer von einem gut wärmeisolierten, den Schußkanal aufnehmenden Einsatz aus wärmebeständigem Werkstoff gebilde; wird Dieser Einsatz bildet ungefähr die Hälfte der inneren Mantelfläche der kugelförmigen bzw. ellipsoidförmigen Wirbelkammer. Durch die Wärmeisolation des Einsatzes erreicht man. daß die angrenzenden Bauteile kühler bleiben, während sich der Einsatz selbst aufheizt und !»eine gespeicherte Wärme an die durch den Schußkana' tinströmendc Verbrennungsluft abgibt, wodurch die Zündbedingungcn in der Wirbelkammer verbesscr: »'erden. Ferner wird bei der bekannten Brennkraftmp Ichine zu;· Verbesserung der Zündung der Kraftstoff •trahi auf den heißer, Einsatz gerichtet. Dies hat zufolge, daß der flüssig auf der: überhitzen Einsät', luftreffende Kraftstoff unter Sauerstoffmangel ver krackt und nicht mehr vollständig vcrbrer.nt. Dr. inverbrannten Bestandteile führen zu einem erhöhter Schadstoffaniei! im AbgaE.Water-cooled internal combustion engines with a swirl chamber are known (A.P i s c h i η g e r "Mixture formation and combustion in the diesel engine", Vienna 1957, page 48, Fig. 77, in which part of the inner Outer surface of the swirl chamber from a well heat-insulated insert that accommodates the firing channel made of heat-resistant material; This insert forms approximately half of the inner one Jacket surface of the spherical or ellipsoidal vortex chamber. Due to the thermal insulation of the insert one reaches. that the adjacent components stay cooler while the insert heats up and ! »A stored heat is given off by the combustion air flowing through the firing channel, whereby the Improve ignition conditions in the vortex chamber: "Ground. Furthermore, in the known Brennkraftmp Ichine too; · Improve the ignition of the fuel • trahi directed towards the hotter, stake. According to this, the liquid on the: overheated inserts, Air-hitting fuel cracks under oxygen deficiency and is no longer completely burned. Dr. burnt-in components lead to increased levels of pollutants! in AbgaE.

Es sind ferner luftverdichtende Einspritzbrennkratimil Wirbelkammer bekannt (DT-PSThere are also air-compressing fuel injections Vortex chamber known (DT-PS

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45 10 23 922), bei denen die Wirbelkammerwandung mit Kühl- und Heizvorrichtung versehen ist, durch die eine beliebige in Abhängigkeit einer Betriebsgröße regelbare Wandtemperatur erzielt werden kann. Diese Maßnahme, die einen hohen Bauaufwand erfordert, dient zur Verbesserung der Verbrennung in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine. 45 10 23 922), in which the vortex chamber wall is provided with a cooling and heating device, by means of which any wall temperature that can be regulated as a function of an operating variable can be achieved. This measure, which requires a lot of construction effort, serves to improve the combustion in all operating areas of the internal combustion engine.

Es sind wassergekühlte Brennkraftmaschinen bekannt (GB-PS 4 01 024) bei denen der Kraftstoff Einspritzstrahl quer durch die Wirbelkammer auf die gekühlte Wand gerichtet ist. Durch die infolge der Kraftstoffstrahlrichtung relativ geringe Vermischung des Kraftstoffes mit dem wandnahen Luftwirbel und durch die relativ niedrige Temperatur der Auftreffstelle an der Wirbelkammerwand erfolgt die Kraftstoffaufbereuung verzögert, so daß außer verschlechterten Zündbedingungen ebenfalls erhöhte Schadstoffanteile im Abgas auftreten.Water-cooled internal combustion engines are known (GB-PS 4 01 024) in which the fuel is injected is directed across the vortex chamber towards the cooled wall. Due to the Fuel jet direction relatively little mixing of the fuel with the air vortex near the wall and The fuel is processed due to the relatively low temperature of the point of impact on the swirl chamber wall delayed, so that, in addition to worsened ignition conditions, there is also an increased proportion of pollutants occur in the exhaust gas.

Außerdem ist eine wassergekühlte Brennkraftmaschine mit Wirbelkammer bekannt (US-PS 21 89 082), bei der der Kraftstoff zwar in die Peripherie der Wirbelkammer eingespritzt wird, jedoch auf den Heißpunkt einer Glühkerze gerichtet ist. Ferner ist der Einsatz zwar im Bereich des Zylinderkopfbodens wärmeisoliert, nicht aber im Bereich der Wirbelkammer so daß die Wärme unmittelbar in die angrenzenden Wandungen der Wirbelkammer abgeleitet wird. Eine gezielte Temperaturführung läßt sich dadurch nicht erreichen.In addition, a water-cooled internal combustion engine with a swirl chamber is known (US-PS 21 89 082) which the fuel is injected into the periphery of the swirl chamber, but on the Hot spot of a glow plug is directed. Furthermore, the use is in the area of the cylinder head base thermally insulated, but not in the area of the swirl chamber so that the heat is dissipated directly into the adjacent walls of the vortex chamber. One Targeted temperature control cannot be achieved in this way.

Es sind schließlich wassergekühlte Brennkraftmaschinen mit Wirbelkammern bekannt (DT-PS b 67 508, GB-PS 10 51 667 und US-PS 30 92 087), bei denen der Einsatz im Vergleich zur Wirbelkammer relafv klein ist. Die Einsätze sind aber nicht wärmeisoliert. Ferner sind die Kraftstoffstrahlen auf sehr heiße Punkte der Wirbelkammer gerichtet, so daß mit der oben geschilderten Nachteilen gerechnet werden muß.After all, they are water-cooled internal combustion engines known with vortex chambers (DT-PS b 67 508, GB-PS 10 51 667 and US-PS 30 92 087), in which the Use is relatively small compared to the vortex chamber. However, the inserts are not thermally insulated. Furthermore are the fuel jets are directed at very hot points of the swirl chamber, so that with the above disadvantages described must be expected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei luftgekühlten Brennkraftmaschinen der eingangs beschriebenen Art die Verbrennung insbesondere in bezug auf Schadstoffbestandteile im Abgas mit einfachen Mitteln zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei luftgekühlter Brennkraftmaschine der Einsatz einen vom Einspritzsirahl nicht getroffenen Teil der inneren Mantelfläche der Wirbelkammer bildet, der kleiner als ¹M der ineren Mantelfläche ist und daß die mittlere Hohe des Einsatzes '/4 bis '/3 und sein mittlerer Durchmesser ²/3 bis ³/3 des größten Rotationsdurchmessers beträgt.The invention is based on the object of improving the combustion in air-cooled internal combustion engines of the type described at the beginning, in particular with regard to pollutant constituents in the exhaust gas, using simple means. This object is achieved according to the invention in that, in the case of an air-cooled internal combustion engine, the insert forms a part of the inner circumferential surface of the swirl chamber that is not affected by the injection ^{sirahl, which is smaller than 1} M of the inner circumferential surface and that the mean height of the insert is '/ 4 to' / 3 and its average diameter is ^2/3 to ^3/3 of the largest rotational diameter.

Durch die erfindungsgemäße Gestalung ist es gelungen, im Abgas die Bestandteile an Schadstoffen, insbesondere Kohlenmonoxyd, Stickoxyd und Kohlenwasserstoff wesentlich zu verringern. Die Verwendung eines wärmeisolierten Einsatzes bewirkt, daß die Witndtemperaturen der übrigen inneren Mantelfläche der Wirbelkammer um maximal 60° herabgesetzt werden. Die Wandtemperaturen der kühleren Mantel-■■'lärhe. auf die der Kraftstoffstrahl gerichtet ist, liegen ('.ami! bei Vollast in dem für die Zündung und . icmischaufbereiuing optimaler: "1 emporaturbereich • on 320"C bi.¹· 37O°C. Diese für die Verbrennung günstige Wandtemperatur an der Auftreflstelle des Einspritzsirahles wird dadurch erreicht, daß der von dem Einsatz gebildete Teil der inneren Mantelfläche der Wirbelkammer auf die Luftkühlungsverhältnisse abgestimmt und kleiner als ein Viertel der gesamten Mantelfläche ist. Hierdurch wird ferner vermieden, daß die überhitzten Wandungsteile des wärmeisoliertenThe design according to the invention has made it possible to substantially reduce the constituents of pollutants, in particular carbon monoxide, nitrogen oxide and hydrocarbons, in the exhaust gas. The use of a heat-insulated insert has the effect that the temperatures of the remaining inner circumferential surface of the vortex chamber are reduced by a maximum of 60 °. The wall temperatures of the cooler mantle. at which the fuel jet is directed are ('.ami! at full load in the optimal range for ignition and mixing processing: "1 height range • from 320" C to ¹ · 370 ° C. This wall temperature at the point of impact, which is favorable for combustion of the injection nozzle is achieved in that the part of the inner jacket surface of the swirl chamber formed by the insert is matched to the air cooling conditions and is smaller than a quarter of the total jacket surface

Einsatzes unmittelbar mit dem flüssigen Kraftstoff in Berührung kommen, so daß Krackreaktionen des Kraftstoffes, die zu einer verstärkten Rußbildung und erhöhten Kohlenmonoxydkonzentration im Abgas führen, nicht stattfinden. Auf die wärmeregulierende Wirkung des Einsatzes wird dagegen nicht verdichtet, wodurch der in die Wirbelkammer einströmende Teil der Verbrennungsluft gleichmäßig erwärmt wird und dem aus der Wirbelkammer unter erhöhtem Druck ausströmenden Gemisch aus Luft, Kraftstoff und Verbrennungsprodukten, bedingt durch die Größe des wäirmeisolierten Einsatzes, nur so viel Wärme entzogen wird, wie zur Aufheizung der Verbrennungsluft erforderlich ist. Dadurch wird neben der Verbesserung der Laufruhe des Motors, vor allem eine wesentliche Verringerung der Stickoxyd- und Kohlenwasserstoffkonzentrationen im Abgas erzielt werden. Um diese wärmeregulierende Wirkung in der für die Verbrennung günstigen Weise zu gestalten, ist die Wärmespeicherkapazität sowie die Größe der mit der Verbrennungsluft in Berührung kommenden Flächen des Einsatzes in Abhängigkeit von der Wirbelkammergröße festgelegt. Da die Form der Wirbelkammer sowie die des Einsatzes häufig geringfügig von regelmäßigen Rotationskörpern abweicht, wurden die Angaben auf mittlere Durchmesser und Höhen bezogen, durch die in erster Näherung die Volumina der Körper bestimmt sind. Durch die mittlere Höhe des Einsatzes wird im wesentlicher auch die Länge des .Schußkanals und damit der Wärmeübergang vom Einsatz auf die Verbrennungsluft bestimmt.Use come into direct contact with the liquid fuel, so that cracking reactions of the Fuel, which leads to increased soot formation and increased carbon monoxide concentration in the exhaust gas lead, not take place. On the other hand, the heat-regulating effect of the insert is not condensed, whereby the part of the combustion air flowing into the swirl chamber is heated evenly and the mixture of air, fuel and air flowing out of the swirl chamber under increased pressure Combustion products, due to the size of the heat-insulated insert, only removes so much heat how is required to heat the combustion air. This will in addition to the improvement the smooth running of the engine, especially a significant reduction in nitrogen oxide and hydrocarbon concentrations can be achieved in the exhaust gas. To this heat-regulating effect in the for the combustion A favorable way to design is the heat storage capacity as well as the size of the combustion air in Contact surfaces of the insert determined depending on the swirl chamber size. Since the shape of the vortex chamber and the insert are often slightly different from regular bodies of revolution deviates, the information is based on mean diameters and heights, through which, as a first approximation the volumes of the bodies are determined. The mean amount of the bet is also essentially the length of the .Schußkanals and thus the heat transfer determined by the use on the combustion air.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.In the drawing is an embodiment of the Invention shown.

Die Abbildung zeigt einen teilweisen Querschnitt durch einen Zylinder und Zylinderkopf mit eingegossener Wirbelkammer.The illustration shows a partial cross-section through a cylinder and cylinder head with a cast Vortex chamber.

In einem Zylinderkopf f ist eine Wirbelkammer 2 eingegossen, die aus zwei Teilen 3 und 4 besteh;. Das Teil 4 weist öffnungenS und 6 zur Aufnahme eine ■ η ich! näher dargestellten Einspritzdüse bzw. einer Zündvorrichtung auf.A swirl chamber 2 is located in a cylinder head f poured, consisting of two parts 3 and 4 ;. The part 4 has openings S and 6 for receiving a ■ η i! Injection nozzle or an ignition device shown in more detail.

Ein Teil eier inneren Mantelfläche der Wirbelkammer 2, der vom Einspritzstrahl nicht getroffen wird und kleiner als ein Viertel der inneren Mantelfläche 7 ist, wird von einem gut wärmeisolierten, einen SchüßkanalA part of the inner circumferential surface of the swirl chamber 2, which is not hit by the injection jet and is smaller than a quarter of the inner jacket surface 7, is from a well heat-insulated, a shooting channel

8 aufnehmenden Einsatz 9 gebildet, dessen mittlere Höhe ein Viertel bis ein Drittel und dessen mittlere Durchmesser zwei Drittel bis zu einem Ganzen des größten Rotationsdurchmessers 10 der Wirbelkammer 2 beträgt. Die Wärmeisolation wird gebildet durch einen Luftspalt 11 am Umfang des Einsatzes 9. Während zwischen der wirbelkammerseitigen Stirnfläche des ίο Einsatzstückes 9 und dem Zylinderkopf ebenfalls ein Luftspalt 12 vorgesehen ist, liegt das Einsatzstück 9 mit der brennraumseitigen Stirnfläche' teilweise auf dem oberen Rand 13 eines Zylinders 14 auf. Das Einsatzstück8 receiving insert 9 is formed, the mean height of which is a quarter to a third and its mean height Diameter two thirds to a whole of the largest rotation diameter 10 of the vortex chamber 2 is. The thermal insulation is formed by an air gap 11 on the circumference of the insert 9 between the end face of the swirl chamber side of the insert piece 9 and the cylinder head Air gap 12 is provided, the insert piece 9 lies with the combustion chamber-side end face 'partially on the upper edge 13 of a cylinder 14. The insert

9 wird mit einem Bund 15 zwischen der Auflagefläche 16 am Zylinder 14 und einem Vorsprung 17 im Zylinderkopf 1 gehalten. Zur Kühlung von Zylinder 14 und Zylinderkopf 1 sind Kühlrippen 18 vorgesehen.9 is provided with a collar 15 between the support surface 16 held on the cylinder 14 and a projection 17 in the cylinder head 1. For cooling cylinder 14 and Cylinder head 1 cooling fins 18 are provided.

Bei dem Verdichtungshub wird ein Teil der Verbrennungsluft durch einen Kolben 20 aus dem Zylinder 14 in die Wirbelkammer 2 verdrängt. Dabei durchströmt sie den Schußkanal 8 und erwärmt sich an den heißen Wandungsteilen des Einsatzes 9. Gegen Ende der Verdichtung wird durch die nicht näher dargestellte Einspritzdüse Brennstoff in den Bereich 19 der Wirbelkammer 2 eingespritzt. Bei Erreichen der Zündtemperatur zündet der Brennstoff und führt zu einer Teilverbrennung in der Wirbelkammer. Die Verbrennungsprodukte und das restliche Kraftstoffluftgemisch strömen unter dem erhöhten Druck in der Wirbelkammer durch den Schußkanal in den Hauptbrennraum aus, in dem die zweite Stufe der Verbrennung bei niedrigerem Druck — und Temperaturniveau stattfindet. Durch das durch den Schußkanal strömende heiße Gemisch aus Verbrennungsprodukten, Luft undDuring the compression stroke, part of the combustion air is removed by a piston 20 The cylinder 14 is displaced into the swirl chamber 2. It flows through the firing channel 8 and heats up the hot wall parts of the insert 9. Towards the end of the compression is not closer by the The injection nozzle shown is injected into the region 19 of the swirl chamber 2. Upon reaching the The ignition temperature ignites the fuel and leads to partial combustion in the swirl chamber. the Combustion products and the remaining fuel-air mixture flow under the increased pressure in the Vortex chamber through the firing channel into the main combustion chamber, in which the second stage of combustion takes place at a lower pressure and temperature level. By the flowing through the firing channel hot mixture of combustion products, air and

is Kraftstoff wird die vom Einsatz an die Verbrennungsluft abgegebene Wärme wieder auf den Einsatz übertragen. Die auftretenden hohen Temperaturen im Einsatz 9 begünstigen beim Verdichtungshub den Wärmeübergang auf die durch den Schußkanal 8 strömende Verbrennungsluft, während der unmittelbare Kontakt des Brennstoffs mit den überhitzten Wandungsstellen vermieden wird.is fuel is released from use to the combustion air transferred heat back to the insert. The high temperatures that occur during use 9 favor the heat transfer to that flowing through the firing channel 8 during the compression stroke Combustion air, during the direct contact of the fuel with the overheated wall points is avoided.

Hier/u 1 Blau ZeichnungenHere / u 1 blue drawings

Claims

Claim:

Injection internal combustion engine with a rotationally "symmetrical" swirl chamber, partially cast in the cylinder head, with a tangentially opening firing channel, the length of which is slightly greater than the largest rotation diameter and into which the fuel is injected approximately parallel to the swirl chamber longitudinal axis in the periphery, with part of the inner The outer surface of the swirl chamber is formed by a well heat-insulated insert made of heat-resistant material that accommodates the firing channel, characterized in that, in the case of an air-cooled internal combustion engine, the insert (9) forms a part of the inner surface (7) of the swirl chamber (2) that is not hit by the injection jet '/ 4 is the inner surface (7) and that the average height of the insert ¹ to A' is less than / 3 and its average diameter of ² to ³ is Ii / 3 of the largest rotational diameter.